高強(qiáng)鋼焊接工字形截面梁整體穩(wěn)定性能分析★

韋 娜 趙金友 陳天威 楊守一 祝怡晴

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

近年來隨著鳥巢、上海中心大廈和深圳平安金融中心等[1]一批跨度大、層數(shù)高的大體量建筑拔地而起，結(jié)構(gòu)受力以及建筑體型趨于復(fù)雜的同時也推動了高強(qiáng)度鋼材在建筑中的應(yīng)用。與普通強(qiáng)度鋼材相比，高強(qiáng)度鋼材在節(jié)省建筑材料、提高結(jié)構(gòu)抗震性能方面具有很大優(yōu)勢[2]，目前國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開展了一系列屈服強(qiáng)度不低于460 MPa鋼材受壓、受彎構(gòu)件整體穩(wěn)定性能研究，并給出了相應(yīng)的建議設(shè)計(jì)方法[2,3]。為了研究高強(qiáng)度鋼材受彎構(gòu)件和普通強(qiáng)度鋼材受彎構(gòu)件整體穩(wěn)定性能的差異，本文對屈服強(qiáng)度為235 MPa,345 MPa和460 MPa的鋼梁進(jìn)行考慮殘余應(yīng)力和不考慮殘余應(yīng)力的有限元分析，探究殘余應(yīng)力和鋼材強(qiáng)度的變化對鋼梁整體穩(wěn)定性能的影響。

1 有限元模型

利用ANSYS有限元軟件建立鋼梁的有限元模型，采用Shell181殼單元模擬鋼梁，鋼材本構(gòu)關(guān)系彈性模量E=2.06×105MPa，切線模量取為彈性模量的2%，泊松比υ=0.3，網(wǎng)格大小約為25 mm，邊界條件約束梁端左側(cè)截面上所有節(jié)點(diǎn)的豎向和平面外位移，并約束形心處軸向位移，梁端右側(cè)同樣約束截面上所有節(jié)點(diǎn)的豎向和平面外位移，荷載形式為跨中作用一個集中荷載。模型計(jì)算簡圖及有限元模型如圖1所示。首先對模型進(jìn)行特征值屈曲分析，將特征值屈曲分析得到的構(gòu)件一階屈曲模態(tài)施加1/1 000的變形作為構(gòu)件的初彎曲，再引入殘余應(yīng)力進(jìn)行非線性分析。

為了驗(yàn)證有限元模型的正確性，選取文獻(xiàn)[4]中Q460鋼H形截面簡支梁整體穩(wěn)定試驗(yàn)數(shù)據(jù)對有限元模型進(jìn)行校核，試驗(yàn)中工字形截面尺寸H×B×tw×tf為270 mm×180 mm×8 mm×10 mm，荷載形式為跨中作用一個集中荷載。有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比情況見表1，除A2試件誤差較大外其余試件誤差均在5%范圍內(nèi)，表明本文建立的有限元模型較為正確，可用于后續(xù)有限元分析中。

表1 有限元模擬結(jié)果與文獻(xiàn)[4]Q460GJ鋼H形截面梁承載力試驗(yàn)結(jié)果對比

2 有限元分析

2.1 殘余應(yīng)力的影響

焊接殘余應(yīng)力作為一種初始缺陷是影響鋼梁整體穩(wěn)定性能的重要因素，為了研究殘余應(yīng)力對于鋼梁整體穩(wěn)定性能的影響，選取截面尺寸H×B×tw×tf為350 mm×175 mm×8 mm×10 mm，跨度分別為2 m，2.5 m，3 m，3.5 m和4 m的鋼梁進(jìn)行有限元分析。在模擬殘余應(yīng)力時，屈服強(qiáng)度為460 MPa的鋼梁采用文獻(xiàn)[4]提出的Q460高強(qiáng)鋼殘余應(yīng)力分布模型，屈服強(qiáng)度為235 MPa和345 MPa的鋼梁采用傳統(tǒng)殘余應(yīng)力分布模型[5]，具體分布情況如圖2所示。

2.2 鋼材強(qiáng)度的影響

圖4所示為考慮殘余應(yīng)力時三種鋼材強(qiáng)度鋼梁的整體穩(wěn)定系數(shù)對比情況，屈服強(qiáng)度為345 MPa比屈服強(qiáng)度為235 MPa的鋼梁整體穩(wěn)定系數(shù)最大提高25.38%，屈服強(qiáng)度為460 MPa比屈服強(qiáng)度為345 MPa的鋼梁整體穩(wěn)定系數(shù)最大提高17.58%，表明鋼梁整體穩(wěn)定系數(shù)隨著鋼材強(qiáng)度的提高而增大，但增大程度隨強(qiáng)度的提高而減小。

3 結(jié)語

1)通過與已有試驗(yàn)對比，證明了本文有限元模型建立方法的正確性，表明在分析鋼梁整體穩(wěn)定承載力時，利用本文所建立的有限元模型可以得到較為精確的結(jié)果。

2)殘余應(yīng)力的存在會降低鋼梁的整體穩(wěn)定承載力，但其對鋼梁整體穩(wěn)定性能的影響程度隨著鋼材強(qiáng)度的提高而減小。

3)隨著鋼材強(qiáng)度的提升，鋼梁整體穩(wěn)定承載力隨之增大，但增高幅度隨著鋼材強(qiáng)度的提高而逐漸減小。